高速公路、铁路隧道围岩等级判定(文/萧整勇)一、前言随着我国高等级公路、铁路建设的迅猛发展,高速公路、铁路的隧道比也不断的增加,由于现阶段探测方法的不准确性,隧道围岩情况又复杂多变,隧道围岩判定、分类工作对指导隧道施工、调整工法与支护参数尤为重要。

在围岩分类的基础上再依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法与支护结构设计。

围岩分类就是选择施工方法的依据、就是进行科学管理及正确评价经济效益、确定结构上的荷载(松散荷载)、确定衬砌结构的类型及尺寸、制定劳动定额、材料消耗标准等的基础,同时也就是安全指导施工的有力保障。

汶马高速公路工程起于汶川县凤坪坝,止于马尔康市卓克基,就是典型的第二阶梯(四川盆地)向第三阶梯(青藏高原)的过渡段。

公路沿线穿越了龙门山断裂带、米亚罗断裂带、松岗断裂带;汶马高速C14合同段的狮子坪1号隧道全长13、4公里,穿越了米亚罗断裂带,所穿越的主要岩性有变质砂岩、板岩、千枚岩等,地形地貌、水文地质条件极其复杂。

所以对狮子坪1号隧道掌子面围岩判定指导施工尤为重要。

二、隧道围岩级别判定工作流程隧道工程施工过程中需要进行隧道围岩级别判定的情况较多,这里指可能发生隧道围岩支护参数设计变更时进行的围岩级别判定工作。

由于其特殊性,隧道围岩级别判定一般采用五方现场会审制度(地质咨询、施工、监理、设计、业主)。

五方现场会审一般由业主组织,进行隧道围岩级别判定时由地质咨询方牵头会审,其她各方共同确认;进行支护参数确认时由设计方提出并经业主确认。

隧道围岩级别判定工作流程:预判-组织现场会审-审查工作-判定围岩级别-支护参数确认-签字确认。

三、隧道围岩级别判定工作方法隧道围岩判定一般采用定性与定量相结合的方法,按两步判定围岩分级:第一步通过测量或观察隧道围岩状况得到岩石硬度与岩体完整度的定量数值或定性结论,然后计算得到岩体基本质量指标BQ值或利用矩阵法查得围岩基本分级判定结论;第二步综合考虑其它影响岩体质量与稳定性的因素,选取地下水状况、软弱结构面、地应力三个因素进行围岩级别修正,同时结合隧道设计支护参数分等级的做法,以半级为单位进行修正。

1、隧道围岩基本分级判定方法a、为便于会审各方清晰观察与测量掌子面围岩的相关状况,施工单位须确保掌子面已出渣、清危完毕。

洞内具备良好的通风与照明条件。

b、地质咨询方拍摄掌子面照片,测绘结构面产状,即时进行地质素描工作。

c、通过对结构与物质组成、构造、触摸、锤击等方式确认岩性与岩性组合。

d、有条件可直接实测出Rc值;也可观察岩体风化程度,结合岩性确定岩石坚硬程度。

e、可直接或间接测量得到岩体体积节理数Jv来确定岩体的完整程度;也可以观察测量结构面类型、裂隙发育及结构面结合情况等,判定出岩体的完整性。

f、根据岩石坚硬程度与岩体的完整性,计算得到岩体基本质量指标BQ值或利用矩阵法查得围岩基本分级判定结论。

2、隧道围岩综合分级判定方法a、地下水修正:观察了解水文情况,根据地下水特征、流量进行修正。

需要注意的就是地下水对含千枚岩的岩层质量与稳定性影响较大,并且影响时间将跨过施工阶段一直延续至运营期间,在修正时需根据千枚岩类别详细考虑。

b、主要软弱结构面修正:掌子面围岩出现近水平贯通结构面(倾角小于10°)、泥化夹层、断层破碎带等状况时,围岩等级降低半级;遇其组合则降低一级;遇见组合断层围岩等级降低一级。

C、地应力的修正:若能测定围岩地应力状况,可根据测量结论进行地应力修正。

也可根据施工过程中的异常情况(钻孔发现动力现象如岩芯饼化、周围围岩自行鸣响)或观察近段时间初期支护有无变形,结合监控量测资料对地应力进行判断。

当发现近期初期支护变形量大并发生明显开裂时(非施工质量引起,下同),按高应力区考虑,降半级;当发现初期支护变形侵限,按极高应力区考虑,降一级;当可能发生岩爆时,按岩爆烈度等级考虑支护参数。

需要强调的就是,对于岩石类围岩,无论多少因素引起的降级修正,最低只能就是Ⅴ级弱。

四、支护参数的确认支护参数由设计代表提出,业主确认。

正常情况下,围岩支护参数与围岩分级判定存在一一对应关系,但设计综合考虑的因素还有:就是否存在偏压,隧道上方就是否存在冲沟、隧道四周就是否存在通道或需保护的重要建筑物,隧道就是否处于软弱地质的影响延长带等等,在这些因素的影响下,确认的支护参数与围岩级别可能不再一一对应。

五、隧道岩体主要岩性(这里用狮子坪1号隧道岩性作为讲例)鉴定岩性没有捷径,唯有熟能生巧。

为了缩小鉴定范围,通过综合设计地勘报告与实际开挖过程中露出岩性总结,将出现的岩性或岩性组合进行归纳,结合颜色、成分与结构、构造、刻划等鉴定方法,查下表确认岩性。

特例:当观察到掌子面为洪冲积、崩坡积堆积体时,不需进行基本判定与综合判定两步,直接确定最终围岩分级结论:Ⅴ级弱。

六、岩石硬度现场会审时,可直接测出隧道掌子面岩体Rc值用于判定岩石硬度。

1、也可以通过观察岩体风化程度,结合岩性,按下表确认岩石硬度。

3、一般说来,在没有大的贯通至地面的较大裂隙的情况下,隧道埋深较深,可认为风化程度不予考虑(未风化或微风化)。

隧道洞口段、埋深较浅的隧道且受构造破坏的需要判定风化程度,参见下表。

七、岩体完整度1、在掌子面条件允许的情况下,可直接或间接测量得到岩体体积节理数Jv,通过下表换算得到岩体完整度指标Kv。

2、也可观察结构面类型、结构面发育程度及结合情况,测定得到具体数据后,可查下表得到岩体完整度结论。

观察重点为隧道中心至拱顶150度范围的扇形区域。

在具体使用时有两种方法,一种就是利用“结构面发育程度”与“主要结构面的结合程度”综合判定岩体完整度;另一种就是利用“结构面类型”与“主要结构面的结合程度”综合判定岩体完整度。

3、利用“结构面类型”对岩体完整度进行判定与“结构面发育程度”判定方法划分基本一致,存在一定对应关系,结构分类见下表。

4、结合面的结合程度,应根据结构面充填物质以及张开度情况,查下表得到。

八、隧道围岩基本分级判定1、利用BQ值定量判定。

当能实测定Rc与Jv(Kv)值,则可以通过计算得到BQ值,计算公式为:BQ=90+3Rc+250Kv(注:使用公式时,应遵守限制条件:当Rc＞90Kv+30时,应以Rc=90Kv+30与Kv代入计算BQ值;当Kv＞0、04Rc+0、4时,应以Kv=0、04Rc+0、4与Rc代入计算BQ值)。

得到BQ值后,查下表可得到隧道围岩基本分级判定。

2、利用矩阵法判定围岩分级。

在得到岩石硬度与岩体完整度的结论后,也可以通过查下表利用矩阵法立即查得隧道围岩初步分级结论。

九、地下水修正不同岩性与地下水相遇,对围岩质量与稳定性影响就是不一样的,尤其就是炭质千枚岩这类软岩遇水后,质量及稳定性影响很大,因此在用地下水修正时,必须考虑水量大小与岩性两种因素,具体修正可查下表,表中Q为每米洞长每分钟出水量,单位为L/min、m。

十、软弱结构面修正当隧道围岩出现规模较大、贯通性较好的软弱结构面时(如近水平贯通结构面、泥化夹层、断层破碎带、组合断层等),岩体质量与稳定性将受到较大影响,因此需要修正,具体修正可查下表。

十一、地应力修正1、隧道围岩初始应力受多种因素影响,一般来讲,主要影响因素有埋深、构造运动、地形地貌、地表剥蚀等,但这些因素对岩体稳定性影响程度尚缺乏成熟的理论机制。

因此准确获得岩体初始应力值α的最有效办法就是进行现场测试。

岩石强度与初始应力之比Rc/αmax小于一定值时,再加上围岩周边应力集中的结果,对围岩稳定性或变形破坏的影响表现显著,具体修正可查下表。

2、在实际隧道工程施工过程中,我们也可以通过一系列动力现象特征进行定性判定地应力大小。

观察开挖过程中就是否有岩块弹出或自行鸣响、开挖岩体位移显著持续时间长不易成洞、钻孔时就是否出现动力现象(岩芯饼化或钻孔变形甚至自行闭合)、近段时间已施作初期支护就是否有较大变形并有明显开裂(查明非施工质量原因引起),监控量测资料显示未收敛等等情况,具体修正见下表。

3、岩爆就是一种岩体中聚集的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放,导致岩石爆裂并弹射出来的现象。

a、岩爆发生的地点多在新开挖的掌子面及距离掌子面1~3倍洞径范围内,个别的也有距新开挖工作面较远。

b、岩爆时围岩破坏的规模,小者几厘米厚,大者可达数吨重。

小者形状常呈中间厚、周边薄,不规则的鱼鳞片状脱落,脱落面多与岩壁平行。

c、岩爆围岩的破坏过程,一般新鲜坚硬岩体均先产生声响,伴随片状剥落的裂隙出现,裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出。

4、岩爆与地质构造相关性a、岩爆大都发生在褶皱构造的坚硬岩石中;b、岩爆与断层、节理构造密切相关,当掌子面与断裂或节理走向平行时,极容易触发岩爆。

c、岩体中节理密度与张开度对岩爆有明显的影响,掌子面岩体中有大量岩脉穿插时,也可能发生岩爆。

5、岩爆支护参数:岩爆地段的支护设计应根据岩爆烈度等级采取有效的防治措施,初期支护可采用喷射混凝土、系统锚杆与钢筋网,形成喷、锚、网的一体组合支护;岩爆烈度级别较高时,可以采取超前应力释放措施,并辅以超前锚杆、增设钢支撑等措施。

6、岩芯饼化就是高地应力区所有的钻进过程中岩芯裂成饼状的现象,岩饼的厚度与岩芯的直径有一定的关系,一般约为直径的四分之一到五分之一,所以不同的钻孔,只要孔径相同,岩饼的厚度就大致相近;所有岩饼的表面均为新鲜破裂面,而且边缘部分粗糙,多数内部隐约见有顺槽,或沿一个方向的擦痕与之正常的拉裂坎。

饼状岩芯就是钻进过程中差异卸荷回弹的产物,破裂主要发生在一定高度的岩芯根部,就是由拉张与剪切复合机制导致的。

饼状岩芯的产生需要具备特定的岩体力学条件:一就是弹性高,储能条件好的岩性条件;二就是围岩整体块状的岩体结构条件;三就是最大主应力在30MPa以上。

隧道工程须实施监控量测来判定结构的长期稳定性与施工安全,一方面可验证支护结构效果,确认支护参数与施工方法的准确性或为调整支护参数与施工方法提供依据;一方面也可确定二次衬砌施作时间;另一方面通过积累量测数据,为信息化设计与施工提供依据,因此要高度重视监控量测工作,利用监控量测数据与结论指导围岩分级判定。

监控量测数据处理与应用:a、及时对现场量测数据绘制时态曲线(或散点图)与空间关系曲线。

b、当位移—时间曲线趋于平缓时,进行数据处理或回归分析,以推算最终位移与掌握位移变化规律。

c、当位移—时间曲线出现反转弯点时,则表明围岩与支护已呈不稳定状态,此时应密切监视围岩动态,并加强支护,必要时暂停开挖。

d、隧道周壁任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的总相对位移值均应小于设计允许值。

当位移速率无明显下降,而此时实测位移值已接近设计允许值,或者喷层表面出现明显裂缝时,立即采取补强措施,并调整原设计参数或开挖方法。

变形管理等级:根据量测结果进行综合判断,确定变形管理等级,据以指导施工。